合肥研究院在水稻半顯性脆稈機(jī)理研究中獲進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所離子束生物工程與綠色農(nóng)業(yè)研究中心研究員吳躍進(jìn)課題組在水稻顯性脆稈Sdbc1基因克隆和功能解析研究中獲進(jìn)展。相關(guān)研究成果以A semi-dominant mutation in OsCESA9 improves biomass enzymatic digestibility and salt tolerance by relatively remodeling cell walls in rice為題，在線發(fā)表在Rice上，博士葉亞峰為論文第一作者，副研究員劉斌美為論文共同通訊作者。

水稻是重要的糧食作物，每年會(huì)產(chǎn)生較多秸稈，由于秸稈數(shù)量多、體積大，其難以在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)處理，并影響后茬作物播種，成為生產(chǎn)中的棘手問題。水稻細(xì)胞壁組分變化常常會(huì)導(dǎo)致水稻莖稈抗折性能變化，脆稈突變體收獲時(shí)，秸稈更易粉碎；脆稈突變體纖維素含量降低，導(dǎo)致次生細(xì)胞壁組成的抗降解屏障能力降低，使秸稈更易被降解，有益于秸稈還田和作為動(dòng)物飼料利用。

該課題組長(zhǎng)期關(guān)注利用重離子誘變挖掘細(xì)胞壁組分突變基因的研究，并開展秸稈還田和離田利用活動(dòng)。前期，研究人員利用圖位克隆技術(shù)，獲得了控制脆稈特性的基因CEF1，深入解析了其功能；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，OsSND2能夠調(diào)控多個(gè)與細(xì)胞壁合成有關(guān)的MYB轉(zhuǎn)錄因子，是此途徑控制纖維素合成的“總開關(guān)”，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

CEF1基因解決了常規(guī)稻秸稈還田難題，但對(duì)我國(guó)主推的雜交水稻來(lái)說，由于cef1的隱性遺傳特性，難以直接應(yīng)用。雜交稻生物量大、應(yīng)用面積廣，因此，產(chǎn)生的秸稈數(shù)量更多，如何處理也具有挑戰(zhàn)性。研究人員利用重離子誘變，獲得了一個(gè)半顯性脆稈突變體Sdbc1；通過圖位克隆，發(fā)現(xiàn)SDBC1基因編碼的是一個(gè)纖維素合成酶催化亞基OsCESA9，在第387位保守的天冬氨酸（D）位點(diǎn)突變成為天冬酰胺（N）。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，突變型的OsCESA9D387N蛋白能夠競(jìng)爭(zhēng)野生型OsCESA9，與OsCESA4和OsCESA7互作，形成沒有功能或部分功能的纖維素合成酶復(fù)合體，從而影響纖維素正常合成。在sdbc1純合突變體中，由于只能形成沒有功能的纖維素合成酶復(fù)合體，因此，纖維素合成受到嚴(yán)重影響，其表型表現(xiàn)出莖稈和葉片都較脆。Sdbc1雜合突變體中，突變型OsCESA9D387N和野生型OsCESA9同時(shí)存在，且存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此，只有一半的纖維素合成酶復(fù)合體能夠正常行使功能，導(dǎo)致纖維素含量略微降低，秸稈表現(xiàn)出微脆的表型，而葉片無(wú)任何影響。此外，該位點(diǎn)的顯性突變能夠通過降低活性氧（ROS）的水平和體內(nèi)的Na+含量，增加其耐鹽性。

該研究從分子水平揭示了半顯性脆稈形成機(jī)制；為分子設(shè)計(jì)培育新的脆稈雜交稻品種奠定了理論基礎(chǔ)。該基因應(yīng)用到雜交稻生產(chǎn)上，尤其是在鹽堿地上種植，具有應(yīng)用前景。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、安徽省重大科技專項(xiàng)以及環(huán)境毒理與污染控制技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的支持。